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太陽(yáng)風(fēng)與殼磁場(chǎng)的相互作用引發(fā)了某種物理過(guò)程，使太陽(yáng)風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場(chǎng)中，進(jìn)而被火星殼磁場(chǎng)捕獲，并在殼磁場(chǎng)中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)內(nèi)部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)外部區(qū)域。

太陽(yáng)風(fēng)離子究竟能不能被火星殼磁場(chǎng)捕獲？針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者聯(lián)合國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了研究，并首次發(fā)現(xiàn)了火星殼磁場(chǎng)捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子的直接證據(jù)。該研究成果近日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

火星表面分布著局部小尺度強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)

地球之所以宜居，一個(gè)重要原因就是，地球存在全球性磁場(chǎng)，即地磁場(chǎng)。

研究表明，地磁場(chǎng)較強(qiáng)、尺度較大、磁場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定，這使得地磁場(chǎng)具有捕獲太陽(yáng)風(fēng)粒子的能力。這些被地磁場(chǎng)捕獲的粒子無(wú)法進(jìn)入地球大氣層，只能沿著磁力線彈跳，并環(huán)繞地球進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)。假如沒(méi)有地磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)就會(huì)不斷轟擊地球大氣，使地球環(huán)境變得惡劣。

地球的“鄰居”火星，就是一個(gè)典型例子?！盎鹦钱?dāng)前沒(méi)有像地球那樣的全球性磁場(chǎng)保護(hù)，因此太陽(yáng)風(fēng)可以直接轟擊火星大氣，并剝蝕火星大氣粒子致其逃逸，因而火星氣候環(huán)境比地球惡劣得多?！敝袊?guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員戎昭金告訴記者。

不過(guò)，雖然火星缺乏全球性磁場(chǎng)，但火星表面（尤其南半球）廣泛分布著局部的、小尺度的強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)?！斑@些磁場(chǎng)存在于火星巖石中，被稱為‘殼磁場(chǎng)’，可延伸至高達(dá)1000公里處的區(qū)域。”戎昭金說(shuō)。

那么，火星的殼磁場(chǎng)能不能捕獲太陽(yáng)風(fēng)粒子？戎昭金表示，要回答這個(gè)問(wèn)題，就需要研究殼磁場(chǎng)能否捕獲太陽(yáng)風(fēng)電子和太陽(yáng)風(fēng)離子。

由于電子質(zhì)量非常小，易被磁場(chǎng)約束，因此火星殼磁場(chǎng)能捕獲太陽(yáng)風(fēng)電子的證據(jù)早已被發(fā)現(xiàn)。但“太陽(yáng)風(fēng)離子能不能被殼磁場(chǎng)捕獲”這個(gè)問(wèn)題在科學(xué)界一直沒(méi)有定論。

戎昭金表示，由于離子質(zhì)量大、回旋半徑大，而殼磁場(chǎng)空間尺度較小，因此離子在殼磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡非常不確定，這導(dǎo)致科學(xué)家一直未找到殼磁場(chǎng)捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子的確切證據(jù)?！吧踔劣锌茖W(xué)家推測(cè)，火星殼磁場(chǎng)或許并不能有效捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子。”他說(shuō)。

或可為分析天問(wèn)一號(hào)探測(cè)數(shù)據(jù)提供指導(dǎo)方向

為了揭開(kāi)謎團(tuán)，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的張馳博士與戎昭金以及魏勇研究員，聯(lián)合瑞典空間物理研究所、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等多家國(guó)內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)一起展開(kāi)了研究。基于美國(guó)航天局的火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)（MAVEN）提供的科學(xué)數(shù)據(jù)，以及中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星物理學(xué)科組自主發(fā)展的火星殼磁場(chǎng)模型，研究團(tuán)隊(duì)在分析大量觀測(cè)事件后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MAVEN飛船穿越火星殼磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，有時(shí)會(huì)探測(cè)到離子能譜呈現(xiàn)出“先上升—后下降”的能量色散結(jié)構(gòu)。“這一色散現(xiàn)象在地球磁層輻射帶觀測(cè)中普遍存在，是被捕獲離子進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)的直接反映?！比终呀鹫f(shuō)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛船穿越殼磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，其搭載的科研設(shè)備在時(shí)序上會(huì)記錄到不同能量的離子，從而會(huì)顯示出這些色散結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過(guò)深入解析，他們發(fā)現(xiàn)這些被捕獲的離子并非來(lái)源于火星，而是來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)?！霸谶@個(gè)高度上，火星離子成分主要是O+和O2+。但我們發(fā)現(xiàn)，被捕獲的離子成分主要為H+，而非O+或O2+， 因此我們判斷H+來(lái)源于外部太陽(yáng)風(fēng)?！比终呀鸾忉尩?。

上述發(fā)現(xiàn)表明，太陽(yáng)風(fēng)與殼磁場(chǎng)的相互作用引發(fā)了某種物理過(guò)程，使太陽(yáng)風(fēng)離子“鉆進(jìn)”火星殼磁場(chǎng)中，進(jìn)而被火星殼磁場(chǎng)捕獲，并在殼磁場(chǎng)中做漂移運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，離子的漂移運(yùn)動(dòng)使得高能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)內(nèi)部，而低能量離子傾向于分布在殼磁場(chǎng)外部區(qū)域。

該研究首次揭示了火星殼磁場(chǎng)在一定物理?xiàng)l件下能有效捕獲太陽(yáng)風(fēng)離子。“這一發(fā)現(xiàn)有助于人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)火星空間環(huán)境，理解地磁場(chǎng)演化與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用。同時(shí)，該研究對(duì)人類認(rèn)識(shí)火星和地球的氣候環(huán)境演變，以及地球生物演化等都具有重要科學(xué)價(jià)值。此外，該研究也能為后續(xù)分析我國(guó)天問(wèn)一號(hào)的火星探測(cè)數(shù)據(jù)提供重要指導(dǎo)方向。”戎昭金說(shuō)。（記者 代小佩）